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Didaktik, Geschichte, Wissenschaftstheorie, Physik im Alltag und Naturphänomene

Wie Sand am Strand

Schlichting, H. Joachim. Naturwissenschaften im Unterricht Physik 159/160 (2017) S. 56 – 57

Trockener Sand rinnt wie eine Flüssigkeit durch die Finger. Vom Wind verweht, bildet es jedoch teilweise sehr komplexe wellenartige Muster aus, die sich als Sandrippel und Sanddünen fortbewegen. Am Strand sinkt man tief in den trockenen Sand ein. Es ist anstrengend darüber zu laufen. Lässt man den Sand in Gefäße fließen, so nimmt er nahezu wie eine Flüssigkeit die Gefäßform an.
Aber kaum gerät Sand mit Wasser, dem Inbegriff einer echten Flüssigkeit, in Berührung, ist plötzlich alles anders: Feuchter Sand wird fest und am Meeressaum kann man ohne einzusinken auf ihm gehen. Er ist aber auch plastisch formbar und taugt zum Bau von Sandburgen und anderen Skulpturen. Doch sobald durch die aufkommende Flut oder andere Umstände die Wässerung überhandnimmt, zerrinnen die Burgen und fließen die Pisten der Läufer dahin.
Um die Wechselwirkung zwischen Wasser und Sand etwas genauer zu studieren, schüttet man beispielsweise in einer flächen Schale eine Portion auf und gibt etwas Wasser an den unteren Rand hinzu. Innerhalb einer kurzen Zeit wird das Wasser wie von einem Schwamm vom Sand aufgenommen. Sofern genügend Wasser vorhanden ist überzieht sich jedes Sandkörnchen mit einem dünnen Feuchtigkeitsfilm (Abb. 2).
Ursache für diesen selbsttägigen Vorgang ist die „Wasserliebe“ (Hydrophilie), also die Benetzbarkeit des Sandes: Für die Ausbildung einer Grenzfläche zwischen Sand und Wasser ist weniger Grenzflächenenergie nötig als zwischen Sand und Luft. Und da die Natur bestrebt ist, soviel Energie wie möglich an die Umgebung abzugeben, steigt das Wasser auch gegen die Schwerkraft durch die feinen Kanäle (Kapillare) zwischen den Sandkörnchen auf.
Die Sandkörnchen werden auf diese Weise durch eine Kapillarbrücke fest miteinander verbunden, was sich als Anziehung zwischen Sand und Wasser bemerkbar macht (Abb. 3). Darin kommt zum Ausdruck, dass die Energie, die infolge der Benetzung frei wurde wieder aufgebracht werden muss, um die Teilchen wieder voneinander zu trennen. Die Anziehung zwischen Sand und Wasser ist so stark, dass sich ein Kollektiv von befeuchteten Sandkörnern zu einer möglichst dichten Packung organisiert. Unterstützt wird dieser Vorgang dadurch, dass das Wasser außerdem wie ein Schmiermittel wirkt und die Reibung zwischen den Sandkörnern stark herabsetzt.
Damit wird klar, warum der feuchte Sand unter den Füßen so fest ist. Dadurch dass der feuchte Sand eine dichteste Packung angenommen hat, würde jegliche Verschiebung der Körnchen gegeneinander einen Übergang in eine weniger dichte Packung nach sich ziehen. Das hieße aber, dass die fest aneinander haftenden Sandkörnchen voneinander entfernt würden und ein größeres Volumen einnehmen müssten. Die unter den Füßen gefühlte Härte des feuchten Sandes hat demnach ihre Ursache im Widerstand gegen die Vergrößerung des Abstands zwischen den Sandkörnchen. Denn dazu muss verhältnismäßig viel (Grenzflächen-) Energie aufgebracht werden.
Trotz der Härte des Sands kommt es beim Aufsetzen des Fußes zu einer gewissen Volumenvergrößerung, weil der Fuß ein wenig einsinkt und Sand zu den Seiten wegdrückt. Das ist übrigens an dem häufig auftretenden trockenen Hof zu erkennen, der den Fuß zum Zeitpunkt des größten Drucks umgibt (Abb. 4). Denn die durch die Volumenzunahme vergrößerten Abstände zwischen den Sandkörnern haben zur Folge, dass mehr Feuchtigkeit aufgenommen werden kann, die von der Oberfläche abgezogen wird.
Das Phänomen lässt sich leicht nachstellen. Man füllt einen flexiblen Plastikbehälter mit Sand und tränkt es mit Wasser, so dass es mit einer sehr dünnen Wasserschicht bedeckt ist (Abb. 5 oben). Drückt man nun den Behälter etwas zusammen, so dass sich der Sand etwas aufwölbt, läuft er sofort trocken (Abb. 5 unten).
In beiden Fällen, beim deutlich sichtbaren Hof um die Fußspur und beim gescherten Sand im Behälter ist die Trockenlegung vor allem daran zu erkennen, dass Sand heller erscheint als der nasse (Schlichting 2015).
Das Bestreben der Sandkörner, sich größtmöglich mit einem Wasserfilm zu überziehen und die dadurch gewonnene Grenzflächenenergie an die Umgebung abzugeben, liegt auch der Festigkeit von Sandburgen zugrunde (Abb. 5): Eine Vergrößerung der Abstände zwischen den Sandkörnern und erst recht eine vollständige Trennung der Sandkörner erfordert den Einsatz der Energie, die bei der Benetzung und gegenseitige Anziehung der Sandkörner frei wurde.
Es zeigt sich, dass die Festigkeit des Sands über einen weiten Bereich nahezu unabhängig vom Wassergehalt ist. Das macht das Sandburgenbauen so kinderleicht. Denn um das genaue Mischungsverhältnis zwischen Sand und Wasser muss man sich in der Praxis kaum kümmern. Erst wenn der Wassergehalt ein kritisches Maß übersteigt, verflüssigt sich der Sand wieder und rieselt in der Flüssigkeit ähnlich herab wie der trockene Sand in der Luft. Die Gefahr einer solchen „nassen Verflüssigung“ des Sands kennen die Burgenbauer. Wenn beispielsweise durch auflaufendes Wasser am Strand die Basis der Burg umspült wird, kommt meist jede Rettung zu spät.
Mit zunehmender Wässerung des trockenen Sandes passiert im Einzelnen Folgendes: Wenn die Körnchen langsam befeuchtet werden, steigt die Zahl der Kapillarbrücken zunächst sehr schnell auf etwa 6 pro Teilchen an und führt bereits bei einem Verhältnis des Flüssigkeitsvolumens zum Sandvolumen von 2,5% zu einer nicht mehr zu steigernden Stabilität. Bei weiterer Wasserzufuhr wird die Grenzfläche zwischen den Teilchen so groß, dass es nicht länger bei isolierten Kapillarbrücken bleibt. Die Flüssigkeitsfilme fließen zu größeren Verbänden zusammen und bilden ganz neue komplexere Benetzungsstrukturen aus.
Mit diesem Strukturwechsel geht allerdings keine Veränderung der mechanischen Steifigkeit des nassen Sandes einher, sodass in sehr weiten Grenzen zwischen einem Flüssigkeitsanteil von 1% bis 16% weitgehend dieselbe Festigkeit zu beobachten ist.
Die weitgehende Unabhängigkeit der mechanischen Festigkeit des nassen Sands vom Feuchtigkeitsgehalt kann als ein Glücksfall für die im Sand spielenden Kinder und erwachsenen Burgenbauer angesehen werden. Bräuchte man für die Sandbauten ein ähnliches Rezept wie zum Kuchenbacken, wäre dieses Freizeitvergnügen vermutlich nicht so populär geworden. Die Burgenbauer nutzen übrigens die Pufferfähigkeit des Sands für Wasser aus, wenn sie ihre Bauwerke nur in mehr oder weniger großen Abständen besprengen, um es vor der Austrocknung und dem damit einhergehenden Verfall zu bewahren.

 

 

Literatur

Scheel, M. et al.: Morphological Clues to Wet Granular Pile Stability. In: Nature Materials 7, S. 189 – 193, 2008

H. Joachim Schlichting. Transparenz durch Nässe. Spektrum der Wissenschaft 6, 2015, S. 42

Diskussionen

2 Gedanken zu “Wie Sand am Strand

  1. Das Schönste für Kinder ist Sand.
    Ihn gibt`s immer reichlich.
    Er rinnt unvergleichlich zärtlich durch die Hand.
    Weil man seine Nase behält, wenn man auf ihn fällt, ist er so weich.
    Kinderfinger fühlen, wenn sie in ihm wühlen,
    Nichts und das Himmelreich.
    Joachim Ringelnatz

    Verfasst von Malabar | 21. August 2017, 23:21

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